JPH04249385A - 熱電装置 - Google Patents
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- JPH04249385A JPH04249385A JP3014608A JP1460891A JPH04249385A JP H04249385 A JPH04249385 A JP H04249385A JP 3014608 A JP3014608 A JP 3014608A JP 1460891 A JP1460891 A JP 1460891A JP H04249385 A JPH04249385 A JP H04249385A
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Landscapes
- Chemically Coating (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電装置に係り、特に
その低温部と高温部との温度差が大きい熱電装置の実装
構造に関するものである。
その低温部と高温部との温度差が大きい熱電装置の実装
構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ｐ型半導体とｎ型半導体とを、金属を介
して接合してｐｎ素子対を形成し、この接合部を流れる
電流の方向によって一方の端部が発熱せしめられると共
に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果
を利用した熱電素子は、小型で構造が簡単なことから、
携帯用ク―ラ等いろいろなデバイスに幅広い利用が期待
されている。
して接合してｐｎ素子対を形成し、この接合部を流れる
電流の方向によって一方の端部が発熱せしめられると共
に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果
を利用した熱電素子は、小型で構造が簡単なことから、
携帯用ク―ラ等いろいろなデバイスに幅広い利用が期待
されている。
【０００３】このような熱電素子を多数個集めて形成し
たサ―モモジュ―ルは、例えば、図４に示すように、ア
ルミナセラミックス基板等の熱伝導性の良好な絶縁性基
板からなる第１および第２の熱交換基板１１，１２間に
これに対して良好な熱接触性をもつように多数個のｐｎ
素子対１３が挟持せしめられると共に、各素子対１３間
を夫々第１および第２の電極１４，１５によって直列接
続せしめられて構成されている。
たサ―モモジュ―ルは、例えば、図４に示すように、ア
ルミナセラミックス基板等の熱伝導性の良好な絶縁性基
板からなる第１および第２の熱交換基板１１，１２間に
これに対して良好な熱接触性をもつように多数個のｐｎ
素子対１３が挟持せしめられると共に、各素子対１３間
を夫々第１および第２の電極１４，１５によって直列接
続せしめられて構成されている。
【０００４】そして、この第１および第２の電極１４，
１５は大電流にも耐え得るように通常銅板からなり、熱
交換基板１１，１２表面に形成された導電体層パタ―ン
上に半田等の溶着層を介して固着されている。
１５は大電流にも耐え得るように通常銅板からなり、熱
交換基板１１，１２表面に形成された導電体層パタ―ン
上に半田等の溶着層を介して固着されている。
【０００５】更に図５に要部拡大図を示すように、この
第１および第２の電極上には、ニッケル層１６および半
田層１７を介してｐ型熱電素子１３ａ又はｎ型熱電素子
１３ｂが交互に夫々１対ずつ固着せしめられ、ｐｎ素子
対１３を構成すると共に各素子対間は直列接続されてい
る。
第１および第２の電極上には、ニッケル層１６および半
田層１７を介してｐ型熱電素子１３ａ又はｎ型熱電素子
１３ｂが交互に夫々１対ずつ固着せしめられ、ｐｎ素子
対１３を構成すると共に各素子対間は直列接続されてい
る。
【０００６】ところで、このような熱電装置において、
ニッケル層は半田成分が熱電素子側に拡散することによ
る性能低下の防止、熱電素子の経時的な性能低下の防止
ならびに熱電素子を電極に半田付けする際の半田付け特
性を改善するという目的で用いられていた。
ニッケル層は半田成分が熱電素子側に拡散することによ
る性能低下の防止、熱電素子の経時的な性能低下の防止
ならびに熱電素子を電極に半田付けする際の半田付け特
性を改善するという目的で用いられていた。
【０００７】このため、熱電素子の正方形断面の１辺の
長さを１．４ｍｍとした場合、このニッケル層の膜厚は
、１μｍ （ｂ／ｔ＝１４００）〜５μｍ （ｂ／ｔ＝
３６０ ）で十分であるとされていた。
長さを１．４ｍｍとした場合、このニッケル層の膜厚は
、１μｍ （ｂ／ｔ＝１４００）〜５μｍ （ｂ／ｔ＝
３６０ ）で十分であるとされていた。
【０００８】しかしながら、従来は高温部と低温部との
温度差Δｔが４０〜５０℃程度で用いられていたのに対
し、最近では、ヒータや冷媒を併用することによって温
度差Δｔが６０以上１００℃に達するものまで提案され
てきており、このような場合、特に急冷時の熱応力によ
って図６に示すように熱電素子が電極との接合部付近で
破損することがあった。
温度差Δｔが４０〜５０℃程度で用いられていたのに対
し、最近では、ヒータや冷媒を併用することによって温
度差Δｔが６０以上１００℃に達するものまで提案され
てきており、このような場合、特に急冷時の熱応力によ
って図６に示すように熱電素子が電極との接合部付近で
破損することがあった。
【０００９】この破壊のメカニズムについては以下のよ
うに推定される。
うに推定される。
【００１０】大温度差の状態では熱電装置の低温側基板
と高温側基板との温度差による寸法差が大きくなり、図
７に示すように、中心から外側になるほど熱電素子の接
合部に生ずる引っ張り応力（Ｔ１ ）が大きくなる。こ
の引っ張り応力は熱電装置の組み込み圧縮応力（Ｃ０
）によって緩和されてはいるが例えば冷媒等により片側
から急速に冷却された場合（８０℃／分以上）、銅電極
の熱伝導率が熱電素子と比較して著しく大きいため、ま
ず冷却側の銅電極が収縮する。
と高温側基板との温度差による寸法差が大きくなり、図
７に示すように、中心から外側になるほど熱電素子の接
合部に生ずる引っ張り応力（Ｔ１ ）が大きくなる。こ
の引っ張り応力は熱電装置の組み込み圧縮応力（Ｃ０
）によって緩和されてはいるが例えば冷媒等により片側
から急速に冷却された場合（８０℃／分以上）、銅電極
の熱伝導率が熱電素子と比較して著しく大きいため、ま
ず冷却側の銅電極が収縮する。
【００１１】このため冷却側の熱電素子接合部は図８に
示すように絞り込まれるような変形を生じ、この結果と
して引っ張り応力（Ｔ２ ）を生じる。従って、冷却側
の熱電素子と電極との接合部付近には低温側と高温側と
の温度差による引っ張り応力（Ｔ１ ）にさらに銅電極
の急速な収縮による引っ張り応力（Ｔ２ ）が加わり最
も機械的強度の低い熱電素子が破壊に至る。
示すように絞り込まれるような変形を生じ、この結果と
して引っ張り応力（Ｔ２ ）を生じる。従って、冷却側
の熱電素子と電極との接合部付近には低温側と高温側と
の温度差による引っ張り応力（Ｔ１ ）にさらに銅電極
の急速な収縮による引っ張り応力（Ｔ２ ）が加わり最
も機械的強度の低い熱電素子が破壊に至る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の熱電
装置の基板材料及び電極は熱膨張係数が大きいものが用
いられているため、低温側と高温側の差が大きくなるに
従い、熱電半導体が破損したり、脱落したりするという
問題があった。
装置の基板材料及び電極は熱膨張係数が大きいものが用
いられているため、低温側と高温側の差が大きくなるに
従い、熱電半導体が破損したり、脱落したりするという
問題があった。
【００１３】本発明は前記実情に鑑みてなされたもので
、高温部と低温部との温度差Δｔが大きい場合にも適用
可能であり、熱電半導体が破損したり、脱落したりする
ことなく信頼性の高い熱電装置を提供することを目的と
する。
、高温部と低温部との温度差Δｔが大きい場合にも適用
可能であり、熱電半導体が破損したり、脱落したりする
ことなく信頼性の高い熱電装置を提供することを目的と
する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】そこで本発明では、熱電
素子の電極との接合端面に施すニッケルめっきの厚さｔ
を、熱電素子断面の１片の長さ（２辺の相加平均）をｂ
としたとき、ｂ／ｔ≦１００を満たすように、厚くする
ようにしている。
素子の電極との接合端面に施すニッケルめっきの厚さｔ
を、熱電素子断面の１片の長さ（２辺の相加平均）をｂ
としたとき、ｂ／ｔ≦１００を満たすように、厚くする
ようにしている。
【００１５】
【作用】本発明によれば、電極との接合部のニッケルめ
っき層の厚さを厚くするようにしているため、低温部と
高温部との温度差が大きい場合に急冷を行う場合にも、
この厚いニッケルめっき層によって熱電半導体の変形を
防止することが可能となり、熱電半導体が熱応力により
破損するのを防止することができ、十分な耐久性を有す
る熱電装置を提供することが可能となる。
っき層の厚さを厚くするようにしているため、低温部と
高温部との温度差が大きい場合に急冷を行う場合にも、
この厚いニッケルめっき層によって熱電半導体の変形を
防止することが可能となり、熱電半導体が熱応力により
破損するのを防止することができ、十分な耐久性を有す
る熱電装置を提供することが可能となる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。
つつ詳細に説明する。
【００１７】実施例１
この熱電装置は、図１に示すように、断面正方形で１片
が１．４ｍｍ、長さ１．６ｍｍのビスマス・テルル熱電
素子３の電極接合部端面に、厚さ１４μｍ の無電解ニ
ッケルめっき層１を形成したものを、半田層２を介して
１辺３０ｍｍのアルミナ基板１１表面に形成された銅電
極４上に１４２個固着したことを特徴とするものである
。他の部分については図３に示した従来の熱電装置と同
様である。
が１．４ｍｍ、長さ１．６ｍｍのビスマス・テルル熱電
素子３の電極接合部端面に、厚さ１４μｍ の無電解ニ
ッケルめっき層１を形成したものを、半田層２を介して
１辺３０ｍｍのアルミナ基板１１表面に形成された銅電
極４上に１４２個固着したことを特徴とするものである
。他の部分については図３に示した従来の熱電装置と同
様である。
【００１８】そして図２に示すようにこの熱電装置の上
下アルミナ基板１１，１２上にグリースを介して面圧５
Ｋｇｃｍ−２で銅ブロック２０をとりつけ、下部ブロッ
ク２０ｂには冷却冷媒用の流路２１を形成すると共に、
ヒータ２２を設置して加熱急冷が可能となるようにして
いる。
下アルミナ基板１１，１２上にグリースを介して面圧５
Ｋｇｃｍ−２で銅ブロック２０をとりつけ、下部ブロッ
ク２０ｂには冷却冷媒用の流路２１を形成すると共に、
ヒータ２２を設置して加熱急冷が可能となるようにして
いる。
【００１９】この熱電装置に対し、６Ａの電流を流し、
ヒータをオンして下部銅ブロックの温度が１１０℃、上
部ブロック側温度が８０℃とする。次に電流を切ると同
時に下部銅ブロックに−１０℃の冷媒を１０分間流し、
下部銅ブロックの温度を０℃まで冷却し、再び熱電装置
に６Ａの電流を流し、ヒータをオンして下部銅ブロック
の温度が１１０℃、上部ブロック側温度が８０℃とする
。このサイクルを繰り返した結果、１２７回で内部抵抗
が無限大となり断線した。このときの熱電装置を調べた
結果、１つの熱電素子が焼損し、１つの素子に亀裂が入
っていた。
ヒータをオンして下部銅ブロックの温度が１１０℃、上
部ブロック側温度が８０℃とする。次に電流を切ると同
時に下部銅ブロックに−１０℃の冷媒を１０分間流し、
下部銅ブロックの温度を０℃まで冷却し、再び熱電装置
に６Ａの電流を流し、ヒータをオンして下部銅ブロック
の温度が１１０℃、上部ブロック側温度が８０℃とする
。このサイクルを繰り返した結果、１２７回で内部抵抗
が無限大となり断線した。このときの熱電装置を調べた
結果、１つの熱電素子が焼損し、１つの素子に亀裂が入
っていた。
【００２０】実施例２
この熱電装置は、図１に示した実施例１の熱電装置とま
ったく同様に形成されニッケル層の厚さのみを２０μｍ
としたものである。
ったく同様に形成されニッケル層の厚さのみを２０μｍ
としたものである。
【００２１】この熱電装置に対し、実施例１で行ったの
とまったく同様の実験を行った結果２００回で内部抵抗
が無限大となり断線した。
とまったく同様の実験を行った結果２００回で内部抵抗
が無限大となり断線した。
【００２２】実施例３
この熱電装置も、図１に示した実施例１の熱電装置とま
ったく同様に形成されニッケル層の厚さのみを４０μｍ
としたものである。
ったく同様に形成されニッケル層の厚さのみを４０μｍ
としたものである。
【００２３】この熱電装置に対し、実施例１で行ったの
とまったく同様の実験を行った結果２１５回で内部抵抗
が無限大となり断線した。
とまったく同様の実験を行った結果２１５回で内部抵抗
が無限大となり断線した。
【００２４】比較のためにニッケル層の厚さを５μｍ
、１０μｍ ……と変化させて耐性を測定した。その結
果を本発明実施例の結果と共に図３に示す。この図から
わかるように、ニッケル層の厚さを５μｍ 、１０μｍ
としたときそれぞれの熱電装置は５５回、７２回で焼
損したのに対し、１４μｍ 、２０μｍ 、４０μｍ
ではそれぞれ１２７回、２１０回、２１５回と大幅に耐
久性が向上していることがわかる。
、１０μｍ ……と変化させて耐性を測定した。その結
果を本発明実施例の結果と共に図３に示す。この図から
わかるように、ニッケル層の厚さを５μｍ 、１０μｍ
としたときそれぞれの熱電装置は５５回、７２回で焼
損したのに対し、１４μｍ 、２０μｍ 、４０μｍ
ではそれぞれ１２７回、２１０回、２１５回と大幅に耐
久性が向上していることがわかる。
【００２５】なお、前記実施例では熱電素子に直接ニッ
ケル層を配設したが、必ずしも直接ニッケル層を形成す
る必要はなく中間層として他の層を介在させるようにし
てもよい。
ケル層を配設したが、必ずしも直接ニッケル層を形成す
る必要はなく中間層として他の層を介在させるようにし
てもよい。
【００２６】また、前記実施例では、ニッケルめっき層
の形成手段として、無電解めっき法を用いるようにした
が、電気めっき法、プラズマ溶射法等を用いても良い。
の形成手段として、無電解めっき法を用いるようにした
が、電気めっき法、プラズマ溶射法等を用いても良い。
【００２７】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、電極との接合部のニッケルめっき層の厚さを厚くす
るようにしているため、低温部と高温部との温度差が大
きい場合に急冷を行う場合にも、十分な耐久性を有する
熱電装置を提供することが可能となる。
ば、電極との接合部のニッケルめっき層の厚さを厚くす
るようにしているため、低温部と高温部との温度差が大
きい場合に急冷を行う場合にも、十分な耐久性を有する
熱電装置を提供することが可能となる。
【図１】本発明の第１の実施例の熱電装置を示す図。
【図２】同熱電装置の耐久性測定装置を示す図。
【図３】ニッケル層の厚さと耐久性との関係を測定した
結果を示す図。
結果を示す図。
【図４】通常の熱電モジュールを示す図。
【図５】従来例の熱電装置を示す図。
【図６】従来例の熱電装置の破損を示す図。
【図７】熱電装置に温度差を発生した状態を示す図。
【図８】従来例の熱電装置の破損をに至るメカニズムを
示す図。
示す図。
１ ニッケルめっき層
２ 半田層
３ 熱電素子
４ 銅電極
１１ アルミナ基板（熱交換基板）
１２ アルミナ基板（熱交換基板）
１３ 熱電素子対
１４ 電極
１５ 電極
１６ ニッケル層
１７ 半田層
Claims (1)
- 【請求項１】ビスマス・テルル系の熱電素子と、熱交換
基板表面に形成された電極とを具備し、前記熱電素子と
電極との間が、熱電素子表面に形成されたニッケル層を
介して半田接続されている熱電装置において、前記熱電
素子断面の１辺の長さの相加平均をｂとしたとき前記ニ
ッケル層の膜厚ｔが下式を満たすように構成されている
ことを特徴とする熱電装置。 ｂ／ｔ≦１００
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3014608A JPH04249385A (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 熱電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3014608A JPH04249385A (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 熱電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04249385A true JPH04249385A (ja) | 1992-09-04 |
Family
ID=11865918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3014608A Pending JPH04249385A (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 熱電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04249385A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025333A3 (fr) * | 1996-12-02 | 1998-11-05 | Pascal Laligant | Convertisseur de puissance a consommation reduite a partir d'une source de tres faible tension |
| FR2767418A1 (fr) * | 1997-08-13 | 1999-02-19 | Jannick Simeray | Module thermocouple |
| DE19781457C2 (de) * | 1996-12-24 | 2002-11-14 | Matsushita Electric Works Ltd | Thermoelektrisches Element und Verfahren zur Herstellung desselben |
| JP2012204452A (ja) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Komatsu Ltd | ＢｉＴｅ系多結晶熱電材料およびそれを用いた熱電モジュール |
| JP2017531734A (ja) * | 2014-09-30 | 2017-10-26 | エボニック デグサ ゲーエムベーハーＥｖｏｎｉｋ Ｄｅｇｕｓｓａ ＧｍｂＨ | 熱電活性材料のニッケルおよびスズによるプラズマ被覆 |
| JPWO2017164104A1 (ja) * | 2016-03-23 | 2019-05-30 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 熱電モジュール発電評価装置 |
-
1991
- 1991-02-06 JP JP3014608A patent/JPH04249385A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025333A3 (fr) * | 1996-12-02 | 1998-11-05 | Pascal Laligant | Convertisseur de puissance a consommation reduite a partir d'une source de tres faible tension |
| US6340787B1 (en) | 1996-12-02 | 2002-01-22 | Janick Simeray | Power converter for supplying electricity from a difference in temperature |
| DE19781457C2 (de) * | 1996-12-24 | 2002-11-14 | Matsushita Electric Works Ltd | Thermoelektrisches Element und Verfahren zur Herstellung desselben |
| FR2767418A1 (fr) * | 1997-08-13 | 1999-02-19 | Jannick Simeray | Module thermocouple |
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| JP2017531734A (ja) * | 2014-09-30 | 2017-10-26 | エボニック デグサ ゲーエムベーハーＥｖｏｎｉｋ Ｄｅｇｕｓｓａ ＧｍｂＨ | 熱電活性材料のニッケルおよびスズによるプラズマ被覆 |
| JPWO2017164104A1 (ja) * | 2016-03-23 | 2019-05-30 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 熱電モジュール発電評価装置 |
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